用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置及方法

摘要

一种用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置，包括压力室、岩石试样和超声波探头；压力室，包括外壳、压头和底座；岩石试样位于底座和压头之间，压头和底座与岩石试样接触侧均开有凹槽，且凹槽内均放置座芯；超声波探头包括超声波发射探头和超声波接收探头，超声波发射探头、超声波接收探头分别置于压头、底座的座芯内，两个超声波探头均为两个弯曲元并列粘结而成的双弯曲元结构；压力室外设置有信号发生器、信号放大器、示波器、第一电路转换器和第二电路转换器。通过电路转换器来改变双弯曲元的连线方式，控制弯曲元的振动方向，实现纵波和横波的顺序激发，适用于岩石力学超声波试验，通过波速变化评估岩石损伤特性。

说明书

技术领域

本发明属于超声波传感技术领域，具体涉及一种用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置及方法。

背景技术

超声波探测技术在岩石力学中应用日益广泛，超声波探测具有操作方便，无损伤，成本低，获取岩石信息量大等优点。在岩石力学超声波试验中，波速与岩体密度、含水量、弹性模量、单轴抗压强度有着密切的关系，而且超声波衰减与岩体损伤和内部裂隙也有着一定的关系。当前试验条件下，纵波试验由于探头易于制造，信号产生简单和信号容易识别而得到广泛应用。纵波与横波的波速比可以探讨岩石的泊松比，从而评价材料的各向异性，但是由于横波源处必须产生剪切力，并且横波波速比纵波慢，造成首波难以识别，以上原因限制了横波探头在岩石力学中的应用。目前普遍使用的岩石超声波探头多为短圆柱形式压电陶瓷晶体。多数超声波探头不能承受轴向压力和围压，因此只能在零应力条件下使用，不符合岩石三轴应力条件；当然也有采用多个晶体阵列的形式镶嵌入岩石试样的底座和压头内制成的超声波探头，但其尺寸过大，声波信号在多个阵列晶体间的同步不好，衰减严重，以至于所测的波速离散严重、重复性差，增加了信号解释的难度。浙江大学曾经公开发表过利用压电陶瓷元测试土样波速的装置并申请专利（专利号：02261611.X和200520013094.2），详细介绍了压电陶瓷传感器的制作处理技术，其发明成果主要是由单个弯曲元晶片构成发射元和接收元，使用范围仅限于土中，不能够在同一土样测试中自动切换产生纵波或横波。

总之，目前岩石超声波传感器产生纵波类型的较多，具备可以切换产生纵波和横波能力的传感器不多，而且体积大，信号失真严重。鉴于此，非常有必要研发一种能够在三轴应力状态下（岩石在地下的真实受力条件）可以按需产生纵波和横波的小型超声波探头，同时探头的声波信号清晰，失真小，系统的鲁棒性高。选择合适尺寸的弯曲元/伸缩元晶片类型，通过优化布置压电陶瓷极化方向，结合岩石材料特性选择激发能量，设计一种用于评估岩石损伤的弯曲元型超声波传感器是一个可行的方法。

发明内容

本发明提供一种用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置及方法，该装置差动产生纵波或者横波，通过对比超声波发射探头处的电压和超声波接收探头处的电压变化从而确定超声波在岩石中的传播特性，进而对岩石的岩性和内部结构进行分析。

本发明运用的是弯曲元型压电陶瓷的工作原理，弯曲元晶片（bender element）在传感器中应用广泛，在固定的电压下，弯曲元会产生偏转位移。单个弯曲元晶片由两片压电陶瓷片和中间一层弹性梁（多采用黄铜）组成，并且在陶瓷片上、下面均匀镀一层银或镍做电极，使得在陶瓷片内形成电场，从而使晶片弯曲变形。

相关理论和试验表明弯曲元晶片在电压下的变形位移为:

δ=6d₁₃EV(h+h₀)l²/[8Eh³+12Eh₀h²+6Eh₀²h+E₀h₀³]

δ——偏转位移

d₁₃——压电常数

h₀——弹性梁厚度

h——压电陶瓷片厚度

V——驱动电压

l——悬臂梁长度

E、E₀——压电片、弹性梁的弹性模量

在超声波发射探头处，施加变化的电压信号，由于逆压电效应，使陶瓷晶片震动产生超声波；在接收端探头处，由于传到的超声波引起晶片震动而产生正压电效应，从而产生变化的电压信号。通过对比发射探头处的电压和接受探头处的电压变化从而确定超声波在岩石中的传播特性，进而对岩石的岩性和内部结构进行分析。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置，包括压力室、岩石试样和超声波探头；

所述的压力室，包括外壳、压头和底座，底座置于外壳内，且位于外壳底部，压头的一部分通过外壳上部开口进入外壳内，底座的中轴线和压头的中轴线重合；

所述岩石试样位于底座和压头之间，岩石试样采用热缩管进行密封，防止液压油与岩石试样接触，且热缩管下端与底座固定连接，热缩管上端与压头固定连接；压头与岩石试样接触侧和底座与岩石试样接触侧均开有凹槽，所述凹槽位于压头和底座的中轴线上，且两个凹槽内均放置有座芯； 

所述超声波探头有两个，分别为超声波发射探头和超声波接收探头，超声波发射探头置于压头的座芯内，且位于该座芯的中轴线位置，超声波接收探头置于底座的座芯内，且位于该座芯的中轴线位置； 

两个超声波探头均为两个弯曲元并列粘结而成的双弯曲元结构；弯曲元与岩石试样接触的一端为弯曲元的顶缘，另一端为弯曲元的底部，两个弯曲元的顶缘局部通过高强度粘合剂进行粘结，防止振动过程中该端出现分离状况，两个弯曲元的底部用屏蔽电缆焊接并将屏蔽电缆引出； 

所述压力室外设置有信号发生器、信号放大器、示波器、第一电路转换器和第二电路转换器；信号发生器输出端分别连接信号放大器输入端和示波器输入端，信号放大器输出端连接第一电路转换器输入端，第一电路转换器的输出端连接超声波发射探头引出的屏蔽电缆，超声波接收探头引出的屏蔽电缆连接第二电路转换器的输入端，第二电路转换器的输出端通过屏蔽电缆连接示波器的输入端。

所述信号发生器输出端通过屏蔽电缆分别连接信号放大器输入端和示波器输入端；所述信号放大器输出端通过屏蔽电缆连接第一电路转换器输入端。

所述的压头外侧和底座外侧均开有导线孔，用于引出弯曲元底部焊接的屏蔽电缆，并在导线孔处采用密封螺栓进行密封。

所述岩石试样的顶面中心位置和底面中心位置分别开一个矩形小槽，该矩形小槽的尺寸根据双弯曲元结构的尺寸及其振动的幅度而定，两个矩形小槽在长轴方向保持一致；在岩石试样上开矩形小槽是为了防止压碎弯曲元，在弯曲元顶缘采用刚度适中的胶体耦合，以便在弯曲元和岩石试样中产生剪切应力，传递横波。

所述超声波探头一端与座芯的空隙填充硬树脂，使超声波探头与座芯粘结成整体；超声波探头的另一端伸出座芯与岩石试样接触，且该端与座芯的空隙用软硅胶填充，该软硅胶用于防水和密封，软硅胶刚度不能过大以免影响超声波探头的振动，在软硅胶中，超声波探头的两个弯曲元可以自由振动。

所述第一电路转换器和第二电路转换器是是通过双弯曲元结构的不同的连线方式来控制施加在双弯曲元结构上的电压方向的装置。

采用上述用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置的方法，包括如下步骤：

步骤1：连接好装置并接通电源后，在信号发生器上选择试验所需的波形，调节频率、振幅和相位；

步骤2：信号发生器产生两路信号：一路信号传输至示波器显示波形，另一路信号传输至信号放大器进行放大；

步骤3：放大后的信号经第一电路转换器传输至超声波发射探头，通过第一电路转换器选择超声波发射探头产生纵波或者横波；

每个弯曲元在变化电压的作用下会产生向左和向右的交替震动，当弯曲元极化方向固定时，若驱动电压的大小和方向变化，则由于逆压电效应，双弯曲元产生协调震动，通过改变极化方向和接线方式，实现在弯曲元的顶缘产生纵波或横波；由于两个弯曲元的顶缘是粘结在一起的，而两弯曲元中间部分是未粘结的，当对两个弯曲元施加的电压方式使两个弯曲元向相反方向振动时，两个弯曲元中间部分周期性的膨胀分离，而由于弯曲元中间部分的膨胀变化，两个弯曲元的顶缘沿着弯曲元方向产生的伸缩变化，从而使弯曲元顶部产生纵波，通过改变弯曲元的连线方式来改变两个弯曲元的振动方向，当对两个弯曲元施加的电压方式使两个弯曲元向相同方向振动时，则中间部分不会分离，两个弯曲元同时左右振动，从而在弯曲元顶缘产生横波，本发明采用电路转换器来控制双弯曲元的连线方式和施加在双弯曲元上的电压方向，这样超声波发射探头可以按实验所需产生纵波或横波；

步骤4：超声波在岩石试样中传播，信号传输至超声波接收探头；

步骤5：超声波信号转换为电信号并经第二转换器传输至示波器进行波形显示；

步骤6：通过示波器上显示的两路信号的波形，可以分析岩石试样的特性。

有益效果：

本发明通过电路转换器来改变双弯曲元的连线方式，从而控制弯曲元的振动方向，实现纵波和横波的顺序激发。本发明的电路连接均采用屏蔽电缆，减少接收波形的失真，使试验结果可靠。本发明装置适用于岩石力学超声波试验，在保障液压密封的前提下，可以在三轴应力状态下工作，自动切换产生纵波或者横波，通过波速变化评估岩石损伤特性，并且由于系统较高的鲁棒性可以得到更多的声学参数，满足岩石力学科研人员的研究需要。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的座芯剖面图；

图3(a)是传感器发射纵波的原理图；

图3(b)是发射纵波时的连线方式；

图4(a)是传感器发射横波的原理图；

图4(b)是发射横波时的连线方式；

图5是本实施方式的压头剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。

本实施方式的用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置，如图1所示，包括压力室、岩石试样8和超声波探头；

压力室包括外壳2、压头1和底座12，底座12置于外壳2内，且位于外壳2底部，压头1的一部分通过外壳2上部开口进入外壳2内，底座12的中轴线和压头1的中轴线重合；

岩石试样8位于底座12和压头1之间，岩石试样8采用热缩管9进行密封，热缩管9是一种橡胶管，防止液压油与岩石试样8接触，且热缩管9下端与底座12固定连接，热缩管9上端与压头1固定连接；压头1与岩石试样8接触侧、底座12与岩石试样8接触侧均开有凹槽，两个凹槽位于压头1和底座12的中轴线上，且两个凹槽内分别放置有座芯4、15；

超声波探头有两个，分别为超声波发射探头和超声波接收探头，超声波发射探头置于压头1的座芯4内，且位于该座芯4的中轴线位置，超声波接收探头置于底座12的座芯15内，且位于该座芯15的中轴线位置；

两个超声波探头均为两个弯曲元并列粘结而成的双弯曲元结构5；弯曲元与岩石试样8接触的一端为弯曲元的顶缘，另一端为弯曲元的底部，两个弯曲元的顶缘局部粘结，两个弯曲元的底部用屏蔽电缆13、16焊接并将屏蔽电缆13、16引出；

压力室外设置有信号发生器、信号放大器、示波器、第一电路转换器和第二电路转换器；信号发生器输出端分别连接信号放大器输入端和示波器输入端，信号放大器输出端连接第一电路转换器输入端，第一电路转换器的输出端连接超声波发射探头引出的屏蔽电缆，超声波接收探头引出的屏蔽电缆连接第二电路转换器的输入端，第二电路转换器的输出端通过屏蔽电缆连接示波器的输入端；所述信号发生器输出端通过屏蔽电缆分别连接信号放大器输入端和示波器输入端；所述信号放大器输出端通过屏蔽电缆连接第一电路转换器输入端。

如图5所示，压头1外侧和底座12外侧均开有导线孔，分别用于引出弯曲元底部焊接的屏蔽电缆16、13，并分别在压头1外侧导线孔和底座12外侧的导线孔处采用密封螺栓17、11进行密封。

本实施方式中，在岩石试样的顶面中心位置开一个与弯曲元晶片协调耦合的矩形小槽，该矩形小槽宽2mm，深2mm，经过实验证明，该矩形小槽不会对超声波波速的测量带来明显误差，也不会影响岩石试样的三轴强度值。

超声波探头一端与座芯4的空隙填充硬树脂3，使超声波探头与座芯4粘结成整体；超声波探头的另一端伸出座芯4与岩石试样8接触，且该端与座芯4的空隙用软硅胶6填充，该软硅胶6用于防水和密封，软硅胶6刚度不能过大以免影响超声波探头的振动，在软硅胶6中，超声波探头的两个弯曲元可以自由振动。

本实施方式中，采用T226-A4SS-303X型弯曲元，由两个极化方向相对的陶瓷片组成，弯曲元的陶瓷片尺寸为31.76×12.70×0.66mm，能够安装在压力室的底座12和压头1的座芯4、15中，以减少超声波传感试验装置引起的应力集中，且便于更换超声波探头。如图2所示，弯曲元与岩石试样接触的一端为弯曲元的顶缘，另一端为弯曲元的底部，两个弯曲元的顶缘局部通过高强度粘合剂14进行粘结，防止振动过程中该端出现分离状况。

在进行试验时，通过三轴试验机向底座12和压头1施加轴压力，可以测试超声波与应力的关系，并且可以利用超声波在不同应力条件下的传播特性来预测岩石失稳破坏，本实施方式的超声波传感试验装置能够承受三轴应力条件下的轴压力和围压10，符合三轴应力条件。

所述第一电路转换器和第二电路转换器是通过双弯曲元结构的不同的连线方式来控制施加在双弯曲元结构上的电压方向的装置。

通过电路转换器来实现纵波和横波的自动切换（改变电路转换器内的连线方式）和双弯曲元结构的安置方式有多种，这取决于所选的弯曲元的类型。

由于不同晶片布置方式和连线方式会不同，下面仅以本实施方式选用的T226-A4SS-303X型晶片为例说明。

如图3(a)、(b)所示，施加在双弯曲元结构5上的电压方向使两个弯曲元的振动方向相反，由于两个弯曲元底部由硬树脂3固定，两个弯曲元顶缘局部由高强度粘合剂粘结，该顶缘与座芯4的空隙由软硅胶6填充，软硅胶6填充的部位可以振动，并且两个弯曲元的振动方向相反，这样会使双弯曲元结构5中间腹部膨大，而弯曲元顶缘在轴线方向上发生伸缩变化。由于这种电压变化是连续的，所以弯曲元顶缘伸缩变化也是连续的，在弯曲元顶缘就会产生平行于振动方向的纵波。

如图4(a)和(b)所示，施加在双弯曲元结构5上的电压方向使两个弯曲元的振动方向相同，由于两个弯曲元底部由硬树脂3固定，弯曲元底部不能振动，而由软硅胶6填充的部位和悬出端可以自由左右振动，两个弯曲元的振动方向一致，并且这种振动也是随电压连续变化的，在弯曲元顶部就产生垂直于振动方向的横波。

由图3(b)到图4(b)的变换只是连线方式的变化，可以通过电路转换器实现。

图3和图4是超声波发射探头的双弯曲元结构5发射两种不同波的作用机理，而在超声波接收探头则是超声波发射探头的逆过程，是由通过岩石传来的超声波（纵波或者横波）带动双弯曲元振动，使得超声波信号转化成电信号，再经过屏蔽电缆13传入示波器，也可以直接将数据通过不同的通讯方式导入到计算机内。

采用上述用于评估岩石损伤的双弯曲元超声波传感试验装置的方法，包括如下步骤：

步骤1：连接好装置并接通电源后，在信号发生器上选择试验所需的波形，调节频率、振幅和相位；

步骤2：信号发生器产生两路信号：一路信号传输至示波器显示波形，另一路信号传输至信号放大器进行放大；

步骤3：放大后的信号经第一电路转换器传输至超声波发射探头，通过第一电路转换器选择超声波发射探头产生纵波或者横波；

每个弯曲元在变化电压的作用下会产生向左和向右的交替震动，当弯曲元极化方向固定时，若驱动电压的大小和方向变化，则由于逆压电效应，双弯曲元产生协调震动，通过改变极化方向和接线方式，实现在弯曲元的顶缘产生纵波或横波；由于两个弯曲元的顶缘是粘结在一起的，而两弯曲元中间部分是未粘结的，当对两个弯曲元施加的电压方式使两个弯曲元向相反方向振动时，两个弯曲元中间部分周期性的膨胀分离，而由于弯曲元中间部分的膨胀变化，两个弯曲元的顶缘沿着弯曲元方向产生的伸缩变化，从而使弯曲元顶部产生纵波，通过改变弯曲元的连线方式来改变两个弯曲元的振动方向，当对两个弯曲元施加的电压方式使两个弯曲元向相同方向振动时，则中间部分不会分离，两个弯曲元同时左右振动，从而在弯曲元顶缘产生横波，采用电路转换器来控制双弯曲元的连线方式和施加在双弯曲元上的电压方向，这样超声波发射探头可以按实验所需产生纵波或横波；

步骤4：超声波在岩石试样中传播，信号传输至超声波接收探头；

步骤5：超声波信号转换为电信号并经第二转换器传输至示波器进行波形显示；

步骤6：通过示波器上显示的两路信号的波形，可以分析岩石试样的特性。

本实施方式中，由于弯曲元的波阻抗与岩石的波阻抗差距较大，弯曲元和岩石试样的耦合需要经过特殊处理，要用刚度相对较高的胶体7进行过渡耦合，并且根据岩石特性选择适当的波形和激发频率，可以有效避免过冲和近场效应，同样可以在接收端接收到清晰的波形，如果超声波发射探头的振动幅度足够大，在没有信号放大器的条件下也可以适当使用。